[摘要]本文提出了一种用于水轮机调速器的可编程计算机控制器PCC型测频装置，与可编程逻辑控制器测频装置相比，具有更高的测量精度和响应速度；与传统的单片机测频装置相比，硬件电路大大简化，且极大地提高了测频装置的可靠性
[关键词]水轮机； 调速器； 频率测量； 可编程计算机控制器
1. 引言
目前，水轮机调速器测频环节一般均采用单片机实现，其硬件为自制件，且各厂家均为小批量生产，故元件检测、筛选、老化处理、焊接及生产工艺等都受到限制，造成测频装置可靠性较低，甚至运行中还可能出现单片机死机，使测频装置失灵，从而使调速器整机的可靠性大大降低，严重影响调速器的安全可靠运行.专利CN1209551A中提出一种采用可编程逻辑控制器PLC为硬件的测频装置，虽然提高了测频装置的可靠性，但其以周期为0.1ms的脉冲作为计数器的计数脉冲，且测量当前频率信号周期前连续50个周期的平均频率，因此当信号频率发生阶跃变化时，经过1s的过渡过程才能准确反映被测信号的频率，而过渡过程内存在较大误差( 综上所述，单片机测频装置可靠性较低，而PLC 测频装置虽然提高了可靠性，但频率信号动态变化时测频精度低且阶跃响应时间常数大，严重影响了水轮机调节系统的动态品质，甚至当电网频率变化时造成调速器反应迟钝.
本文提出一种基于可编程计算机控制器（PCC）的水轮机调速器测频装置，克服了上述影响调速器安全可靠运行和影响水轮机调节品质的缺点与不足.
2.PCC测频原理及系统组成
PCC测频装置系统结构如图1所示.CPU模块CP474内部具有时间处理单元TPU，该处理单元利用其内部4MHz的计数时钟测量输入脉冲的频率，而DI135 的作用就是将整形后的机组或电网频率信号传至TPU.PCC测频的基本思路是：先将机组或电网频率信号整形为同频率的方波信号， 该方波信号经DI135 送入CP474的YPC输入通道，TPU读取方波信号两相邻上升沿之间的计数值N，则所测频率为
式中，fe为PCC 内部计数器的计数频率.
2.1 PCC 基本单元
本测频装置采用奥地利B&R 公司可编程计算机控制器2003系列的CP474模块作为基本单元，它选用32位Motorola M68300微处理器作为其CPU.该微处理器具有一个时间处理单元（TPU)，主要用于外部处理事件计数、门电平时间测量、频率测量、脉宽调制等与时间有关的任务（timing tasks），减少CPU模块为处理这些任务调用中断服务程序所占用的时间.时间处理单元的结构如图2 所示.TPU由处理器、中断寄存器、接口寄存器（RAM）、定时器（TCR1与TCR2）及输入输出通道等组成.TPU由接口寄存器组通过1MB的内部总线与CPU通讯，接口寄存器组包括系统配置寄存器、系统保留与测试寄存器、通道控制寄存器及通道参数寄存器，它们分别用于系统配置、系统保留与测试、通道切换控制及通道参数传递.当有外部事件发生时，首先由输入输出通道向中断寄存器发出请求信号，再中断寄存器通知处理器并进行相应处理.定时器TCR1 及TCR2的分频系数确定TPU的时钟频率，对CP474来说，分频系数为8，而TPC 的时钟频率为4MHz.
图1 PCC 测频系统结构示意
图2 TPU 结构示意
2.2 数字量输入模块
数字量输入模块的作用就是把频率整形电路输出的与被测信号同频率的方波信号送入TPU 的输入输出通道.本装置选用DI135模块，该模块具有4路高速数字量输入，且采用光电隔离，其输入过滤器滞后为3us.DI135本身还能进行故障诊断，并通过主机将故障类型读出，这些故障包括24V电源掉电、硬件错误、反向及短路保护等.
2.3 整形电路
频率整形电路如图3所示.经隔离变压器隔离的频率信号送入T型滤波器（R1、R2、C1）滤波，再经嵌位二极管电路（D1、D2）限幅，然后经RC(R3、C2）再次滤波送入滞环比较器U1，其输出的与所测信号同频率的方波信号再送至数字量输入模块DI135.为保证可靠性，整形电路的元件全部选用军品级材料.
图3 频率整形电路原理
3.PCC测频装置软件设计
3.1 PCC多任务分时操作系统
PCC将整个操作界面分成数个具有不同优先权的任务等级（task class），其中优先权高的任务等级有着较短的巡回扫描周期，而且每个任务等级可包括多个具体任务，在这些任务中间可再细分其优先权的高低.在这种操作系统的管理下， 任务总是按其优先权等级的高低依次执行.这样，可以将比较重要的任务所定义的任务等级高一些， 如调节任务，中断任务（由硬件产生的中断触发）；而将一些较一般的任务所定义的任务等级低一些，如人机接口任务等. 这样整个控制系统便得到优化，具有更好的实时性.
B&R2003系列可编程计算机控制器为用户提供两种不同的任务层：标准任务层和高速任务层.
标准任务层的任务切换由系统管理器来完成，2003 系统的CPU 模块提供了4个任务层，按其优先级依次为TC#1、TC#2、TC#3及TC#4.用户可通过编程系统设置这些任务等级的循环时间（扫描周期），循环时间可以从10ms 到500ms（以10m为步长）.
高速任务层是由硬件定时器来触发，2003系统的CPU模块仅有1 个任务层（HS#1）.高速任务层的优先级系统管理器和标准任务层，可以在一个确切的时刻中断其他任务. 用户同样可通过编程系统设置该任务等级的循环时间，循环时间可以从1ms到20ms（以0.5ms为步长）.
3.2 PCC 测频软件
测频软件分为TPU功能模块和测频程序两部分.TPU功能模块. TPU功能模块包含TPU操作系统、TPU 配置、完成特定功能的TPU程序模块等，应用程序通过它与TPU通讯传递参数和数据. 该功能模块由B&R 公司专门研制的TPU编码连接器产生，并在CPU热启动时将自己传入TPU的RAM中，并从此接管TPU让它完成用户特定的功能. 本装置中选用以内部时钟为基准的门时间测量模块TPXciX（），将DI135配置在SLOT1，机频信号从DI135 的第一通道输入，网频信号从DI135 第二通道输入.
测频程序.测频程序完成TPU 功能模块TPXciX（）的调用、测频计算、滤波及软件容错等功能，它用PCC 独有的高级语言PL20000编制, TPU 硬件计数器为16 位，功能模块TPXciX（）的调用周期必须小于8.2ms以处理计数器溢出，故测频程序分两个模块：一个置于高速任务层，用于调用TPXciX，其循环时间设置为5ms；另一个置于普通任务层TC#2，进行TPXciX）初始化、测频计算、滤波及冗余处理，其循环时间设置为20ms，以节省CPU资源.
3.3 测频范围及精度
前面提到TPU 采用16 位计数器，但TPXciX（）模块通过软件方式将其扩充为32位，在5ms（小于8ms）调用周期下，TPXciX（）模块可保证正确的32 位计数器输出，因此理论上计数器的计数范围为0~4294967295，在4MHz 时钟频率时，测频下限小于0,001Hz. 但由于电压互感器及隔离变压器等因素的限制，并考虑到实际应用的需要，取测频下限为2Hz，且2Hz 以下时认为频率为0.DI135 的输入响应为事件微米级，其最大输入频率为100KHz，可见该测频方式的上限可以很高，考虑到水轮机调速器的实际需要I取其测频上限为100Hz.
下面计算此测频方式的分辨率. 在时钟频率4MHz 的情况下，由上述公式可知，在50Hz时，计数值N为80000，而N的分辨率为1，由此可得，f的分辨率为
可见，采用这种测频方式，当频率在50Hz附近时的分辨率为6.25×10-4Hz时，完全满足水轮机调速器对测频精度的要求.
3.4 测频装置软件容错及故障诊断
频率测量是影响调速器可靠性的关键因素之一，软件开发时应特别重视软件的容错及故障自诊断能力.
在软件设计时按以下原则考虑：（1）发电机可能出现的转速范围为零到飞逸转速；(2）连续2个采样时刻频率差值应小于
，其中额定频率为50Hz，T 为采样周期，
为机组惯
性时间常数，若本次频率值与上次频率值之差的绝对值大于? ，则对机频错误计数器加1，若错误计数小于一定值，则用上次频率值作为本次频率值，如果错误计数连续大于一定值，则承认本次频率值；（3）对网频或机组并入大电网时的机频，若频率值不在一定的频率范围内，且达到一定次数，则认为测频出错；
（4) 如果连续一段时间内没有机频网频信号，则认为机频网频消失，且发生相应的报警信号.
4. 应用实例
采用这种测频方式的PCC调速器，2000 年4月安装于陕西省石泉鹅项颈水电站1号机上，并对该调节系统进行了全面试验，试验表明其性能指标满足或优于国标（GB/T9652.1--1997）的要求, 其中，主要特性试验结果如下：甩25%额定负荷，接力器不动时间为0.18s；甩100%额定负荷时，转速最大上升为额定转速的132%，调节时间为36s,试验后的调速器即投入运行，运行状况良好, 此后，又有数台先后在四川省飞罗水电站、张掖龙渠三级水电站、陕西省石泉鹅项颈水电站2号和3号机投入运行，均运行稳定，且具有较高的可靠性.
由测频整形电路和可编程计算机控制器PCC配以适当软件完成测频功能，并取代单片机及PLC测频装置，使测频电路大大简化.
采用可编程计算机控制器PCC作为测频装置的硬件，其平均无故障率达50万h，提高了系统的可靠性.
可编程计算机控制器内部计数器的计数脉冲频率为4MHz（周期为0.25×10-3ms），用其直接测量频率信号的当前周期，在50Hz附近其测频分辨率可达0.000625Hz，当信号频率阶跃变化时，仅20ms频率信号为50Hz直接反映信号的精确频率，故该测频装置具有较高的测频精度及动态品质.
参考文献
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［2］ 刘国范等, 大型水轮机调速器测频装置的研究［J］, 大电机技术，1994，（2)：59-63
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［6］ 齐蓉, 新一代可编程计算机控制器技术［M］, 西安：西北工业大学出版社，2000
作者：南海鹏（男，37岁，副教授），王德意，王涛
（西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048）